天然气商业计量系统信号干扰问题的分析与改造

李 磊

（中海石油（中国）有限公司上海分公司）

某天然气商业计量系统正常运行6年后，出现了温度和压力值频繁跳变的现象。实践中，如果仪表信号干扰出现在项目投运后期，且无新增外部干扰因素的情况下，应重点考虑电源、卡件及仪表等电子设备以及线路老化造成漏电干扰的可能性。本案例中，计量系统A/B出现首次信号干扰现象相差33天，符合设备老化造成回路干扰的特点。

在中控操作站调取压力和温度数据趋势，分析造成计量系统信号干扰的主要因素，对信号传输方式和电源供电部分进行改造，以期解决信号干扰的问题。

1 天然气商业计量系统及干扰情况简介

天然气商业计量系统（简称计量系统）主要由流量变送器（FT）、压力变送器（PT）、温度变送器（TT）、色谱分析仪和流量计算机构成。流量计算机负责天然气的压力和温度补偿计算，计算标况流量、累积流量及热值等数据，并将相关计量数据传至DCS，在中控操作站显示。

天然气商业计量系统构成如图1所示，PT、TT信号线并联，计算机通信卡通过HART协议实时采集PT、TT数据；当HART采集PT信号中断时，计算机锁定Keypad值35bar（1bar=100kPa）参与流量补偿计算；当HART采集TT信号中断时，计算机锁定Keypad值20℃参与温度补偿计算。

图1 天然气商业计量系统构成简图

计量系统A/B在正常投运6年后，相继出现温度和压力值频繁跳变现象，直接导致外输天然气标况流量值跳变，对天然气计量的稳定性和准确性造成极大影响，极易导致商业纠纷。为此，在中控操作站调取压力和温度数据趋势并进行分析。

2 干扰因素分析

2.1 回路外部干扰因素排查

对全厂区域大电流和变频器设备运行情况进行梳理，未发现大电机启动或变频器运行与计量系统信号干扰在时间上的一致性。

计量系统设计安放在远离变频器、变压器等易产生电磁干扰的电气设备的位置。

计量机柜置于中控机柜间，出现信号干扰前后中控机柜间和现场流量计量区域未新增电气设备和线路。

计量系统周边不存在热辐射、振动等外部因素。

因此，可以初步排除回路外部干扰因素。

2.2 回路内部干扰因素排查

变送器本身故障排查。发生通信中断或数据跳变时，现场变送器PT和TT表头显示正常；现场变送器备件替代测试，信号干扰频率并无明显变化。因此可以初步排除变送器本身故障造成的干扰。

信号线路故障排查。信号线并非干扰源，但施工安装不规范会造成信号回路抗干扰能力下降，因此必须详细检查信号线路。检查信号线间绝缘是否合格。检查双绞信号线屏蔽单点接地是否合格。检查信号线对地绝缘的方法是：其中PT的“+”信号线对地电阻偏低，因此对PT、TT信号回路共“+”接线端由机柜侧改为现场侧，拆除PT“+”信号线后，温度信号通信中断问题明显改善，但压力信号跳变现象并没有太大的改变。因此，可以确定信号线对地绝缘低为信号干扰的原因之一。

计算机通信卡件通道干扰排查。现场未配备计算机通信卡件备件，无法进行替代测试。

电源干扰排查。现场不具备条件对电源增加滤波器来测试信号干扰情况是否有所改善。于是，更换计量机柜内备用电源模块，但信号干扰现象并未改善。

考虑到电源多负载干扰叠加的影响，做如下测试：用两个独立的24V（DC）电源模块分别给流量计和计算机供电。经测试，计量系统5天内仅出现2次信号干扰（压力值跳变为0）。因此，判断流量计和计算机的电源独立设计可以减弱大部分干扰。

3 跳变数据统计分析及相关测试

对中控操作站调取的压力和温度数据趋势进行分析，统计的跳变异常数据和初步分析结果见表1、2。

表1 异常压力值数据分析

表2 异常温度值数据分析

3.1 HART通信中断原因分析

电源电压过低。经检查，温度、压力变送器表头电压21V，提高回路电压并未有效改善通信中断和跳变现象，因此可以排除电源电压过低的问题。

信号电缆电容过大。针对电缆长度和电缆电容对HART通信的影响，做如下测试：温度、压力变送器均放置于机柜内，通过临时电缆连接至计算机通信卡进行测试，测试结果表明数据跳变问题明显改善，根据测试结果可以初步得出两个结论：

a.信号电缆长度是影响HART通信可靠性的主要因素之一，电缆电容因电缆长度增加而增大，当电缆电容接近或大于HART通信设备最大电容时，会直接影响HART通信；

b.计量机柜内部电子设备是造成信号干扰的主要因素之一。

信号干扰。已排除信号回路外部干扰和变送器故障；唯独计算机通信卡通道干扰未做排查。

3.2 仪表信号传输方式的改造测试

根据异常数据的统计分析发现，有一种数据跳变现象：计算机读取的压力值实际是温度检测值。在排除PT、TT变送器故障，PT、TT变送器HART通信地址设置错误，信号线绝缘和屏蔽不合格的基础上，可初步判断此种数据异常情况为通信卡故障所致。

相比mA标准信号传输方式，HART协议数据采集对回路电压、电缆电容、绝缘和屏蔽的要求更高，HART通信的抗干扰能力较弱。因此，在仪表设备和控制系统均支持HART协议的情况下，可以采用mA标准信号进行数据实时采集，此时HART通信主要完成对智能设备进行组态、调试、标定及诊断等工作。鉴于HART通信与mA标准信号传输的特点，对HART通信信号传输改造为mA标准信号传输进行相关测试。首先增加计算机的模拟量卡，改造PT、TT信号回路接线，实现PT、TT信号的模拟量传输。测试中，计量系统一天内出现1次信号干扰，因此可以初步确认计算机通信卡是造成计量系统信号干扰的主要因素之一。

4 双措施改造

鉴于对干扰因素的排查及相关抗干扰措施的测试，决定对天然气商业计量系统同时施加两项措施加以改造。如图2所示，由两个独立的24V（DC）电源模块分别给流量计和计算机供电，压力和温度信号的传输方式由HART通信改为mA标准信号传输方式。

改造后，测试表明压力和温度值跳变现象消除，至今再未发生过计量系统压力和温度信号跳变现象，提高了外输计量系统的稳定性和抗干扰能力。

图2 改造后的计量系统简图

5 结束语

天然气商业计量系统运行过程中，如果仪表信号干扰出现在项目投运后期，且无新增外部干扰因素的情况下，应重点考虑电源、卡件及仪表等电子设备以及线路老化造成漏电干扰的可能性。

相比mA标准信号传输，HART协议数据采集对回路电压、电缆电容、绝缘和屏蔽方面的要求更高，在实践中，HART通信的抗干扰能力差。因此，在实践中要综合考虑选择仪表信号传输方式，在降低电缆铺设成本的同时，要顾及信号传输的稳定性与可靠性。

该天然气商业计量系统实施改造措施后，至今再未发生过计量系统压力和温度信号跳变问题，为避免商业纠纷提供了保证，提高了天然气外输计量系统的稳定性和抗干扰能力。